Обнаружение трещин и их местоположения в ледовом покрове методом акустической триангуляции
|
Даты проведения с 2018-10-02 по 2019-09-13 |
Авторы: Фомин Григорий, Класс: 11
Научный руководитель: Панков Иван Александрович, ООО "NetCracker";
Микушин Павел Владимирович, студент физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.
Исследования, опубликованные в журнале американского акустического сообщества “JASA” (см. ссылку №1) показывают, что по уровню шума, создаваемого льдами, можно следить за интенсивностью таяния. Предполагая, что большая часть шума, создаваемого ледником, состоит из треска, было решено попытаться отследить не только наличие треска льда, но и его местоположение. Это необходимо для выявления наиболее проблемных районов, в которых динамика таяния наиболее сильная.
Для решения поставленной задачи лоцирования предлагается следующая схема
эксперимента. Три синхронизованных микрофона записывают звук. Из записанной звуковой дорожки выделяется участок с треском льда. Зная координаты точек записи и разницу времён прихода искомого сигнала (треска) на каждом из микрофонов можно вычислить область с трещиной.
В первую очередь был проведён эксперимент в лабораторных условиях. Использовались: 3 микрофона (смартфона), лёд, рулетка. Лёд был заморожен в виде параллелепипеда заданных размеров. В лёд были вморожены металлические стержни, необходимые для позиционирования трещины в определённой области. Три микрофона образовывали вершины треугольника, а лёд лежал на одной из его сторон (см. рис.1).
Поскольку телефоны никак не связаны между собой, возникает необходимость во внешней синхронизации. Она производилась вручную. Микрофоны были сложены друг рядом с другом, и вблизи от них была издана серия громких и коротких звуков. Для трёх микрофонов можно выделить 3 различных пары (1-2, 2-3, 3-1). Для каждой пары была посчитана разница во времени прихода звука. Таким образом, считая скорость звука в среде постоянной, для каждой пары была вычислена разница в расстоянии до трещины. Геометрическое место точек на плоскости, удовлетворяющие данным условиям, представляет собой гиперболу (см. рис.2).
Поскольку гиперболу можно построить для каждой пары, на их пересечении будет находиться источник звука. Для оценки случайной погрешности, проводилась серия экспериментов (см. рис.3).
Второй частью моей работы стала апробация метода применительно к результатам натурного эксперимента. Использовались данные полученные мной, научным руководителем и остальной частью группы на Беломорской Биологической Станции им. Н. А. Перцова биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова (далее ББС). В течение суток под водой записывался окружающий шум. При обработке аналогичным способом была вычислена гипербола, с погрешностным диапазоном, на которой могла располагаться трещина.
Полученные результаты качественно согласовывались с имеющимися эмпирическими данными. Положение трещин, зафиксированное на эксперименте, удалось вычислить и при помощи описанного метода. Таким образом, при помощи предложенного метода можно определить местоположение трещины. Причем не только в лабораторных условиях, но и в
условиях натурного эксперимента. Соответственно, возможно находить области с наиболее опасной экологической обстановкой. Главное достоинство будущего
программно-материального комплекса, работающего по предложенному принципу – автономность. Для изучения динамики таяния льдов при помощи гидроакустических приборов такого типа не требуются длительные экспедиции. Достаточно изучать и анализировать подводные шумы, регистрируемые аппаратурой с минимальным участием человека в процессе. За счёт высокой скорости распространения звука в воде, делать это можно на расстоянии.
Проект опубликовал
